А. Модель Михаэлиса-Ментен

Полный математический анализ ферментативной реакции приводит к сложным уравнениям, не пригодным для практического применения. Наиболее удобной оказалась простая модель, разработанная в 1913 г. Она объясняет характерную гиперболическую зависимость активности фермента от концентрации субстрата (1) и позволяет получать константы, которые количественно характеризуют эффективность фермента.

Модель Михаэлиса-Ментен исходит из того, что вначале субстрат А образует с ферментом E (З) комплекс, который превращается в продукт В намного быстрее, чем в отсутствие фермента. Константа скорости k_кат (2) намного выше, чем константа некаталитической реакции k. Константу k_катназывают еще «числом оборотов» поскольку она соответствует числу молекул субстрата, превращаемых в продукт одной молекулой фермента за 1 с. Согласно этой модели, активность фермента определяется долей комплекса EA от общей концентрации фермента [E] _t , т. е., отношением [EA] / [E] _t (З). С целью упрощения модель предполагает, что E, А и ЕА находятся в химическом равновесии согласно закону действующих масс (см. с. 24), что дает в итоге для диссоциации комплекса EA уравнение:

[E][A]/[EA] = K_m Поскольку [E] _t = [E] + [EA],

[EА] = [E] _t [А]/(К_m + [А])

Из v = k_кат[EA] (2) и предыдущего выражения получают уравнение Михаэлиса-Ментен (4).

Уравнение содержит две величины (два параметра), которые не зависят от концентрации субстрата [A], но характеризуют свойства фермента: это произведениеk_кат[E] _t , соответствующее максимальной скорости реакции V при высокий концентрации субстрата, и константа Михаэлиса К_m , характеризующая сродство фермента к субстрату. Константа Михаэлиса численно равна той концентрации субстрата [A]. при которой ν достигает половины максимальной величины V (если v = V/2, то [A] / (К_m + [A]) = 1/2, т. е. K_m = [А]). Высокое сродство фермента к субстрату характеризуется низкой величиной К_m и наоборот,

Модель Михаэлиса-Ментен основывается на нескольких не совсем реальных допущениях, таких, как необратимое превращение EA в E + В, достижение равновесия между E, A и EA, отсутствие в растворе других форм фермента, кроме E и EA. Только при соблюдении этих гипотетических условий K_m соответствует константе диссоциации комплекса, а k_кат — константе скорости peакции EA → E + В.

4. Общие свойства ферментов. Специфичность - очень высокая избирательность ферментов по отношению к субстрату. Специфичность фермента объясняется совпадением пространственной конфигурации субстрата и субстратного центра (стерическое совпадение). За специфичность фермента ответственен как активный центр фермента, так и вся его белковая молекула. Активный центр фермента определяет тип реакции, который может осуществить данный фермент. Различают три вида специфичности: абсолютную, относительную, стереохимическую.
Абсолютная специфичность. Такой специфичностью обладают ферменты, которые действуют только на один субстрат. Например, сахараза гидролизует только сахарозу, лактаза - лактозу, мальтаза - мальтозу, уреаза - мочевину, аргиназа - аргинин и т.д.
Относительная специфичность - это способность фермента действовать на группу субстратов с общим типом связи, т.е. относительная специфичность проявляется только по отношению к определенному типу связи в группе субстратов. Пример: липаза расщепляют сложноэфирную связь в жирах животного и растительного происхождения. Амилаза гидролизует а-гликозидную связь в крахмале, декстринах и гликогене. Алкогольдегидрогеназа окисляет спирты (метанол, этанол и др.).
Стереохимическая специфичность - это способность фермента действовать только на один стереоизомер. Например: 1) L, B-изомерия: L- амилаза слюны и сока поджелудочной железы расщепляет только L-глюкозидные связи в крахмале и не расщепляет D-глюкозидные связи клетчатки; 2) L и В-изомерия: В нашем организме превращения подвергаются только L-аминокислоты, т.к. эти превращения осуществляются ферментами L-оксидазами, способными реагировать только с L-формой аминокислот; 3) Цис-, транс-изомерия.

Фумаратгидратаза может превращать только транс-изомер (фумаровую кислоту) в яблочную. Цис-изомер (малеиновая кислота) таким превращениям в нашем организме не подвергается.

5. Регуляция активности ферментов. На скорость химической реакции влияют различные вещества. Те из них, которые тормозят ферментативные процессы, называются ингибиторами. Те же, которые усиливают реакции - активаторами. Активаторами могут быть:
1) кофакторы, т.к. они важные участники ферментативного процесса. Например, металлы, входящие в состав каталитического центра фермента: амилаза слюны активна в присутствии ионов Са, лактатдегидрогеназа (ЛДГ) - 2п, аргиназа - Мп, пептидаза - Мд и коферменты: витамин С, производные различных витаминов (НАД, НАДФ, ФМН, ФАД, КоА8Н и др.). Они обеспечивают связывание активного центра фермента с субстратом.
2) анионы также могут оказывать активирующее влияние на активность фермента, например, анионы С1- активируют слюнную амилазу;
3) активаторами могут служить также вещества, создающие оптимальное значение рН среды для проявления ферментативной активности, например, НС1 для создания оптимальной среды желудочного содержимого для активации пепсиногена в пепсин;

4) активаторами являются также вещества, переводящие проферменты в активный фермент, например, энтерокиназа кишечного сока активирует превращение трипсиногена в трипсин;

5) активаторами могут быть разнообразные метаболиты, которые связываются с аллостерическим центром фермента и способствуют формированию активного центра фермента.
Ингибиторы - это вещества, которые тормозят активность ферментов. Различают два основных типа ингибирования: необратимое и обратимое.
При необратимом ингибировании - ингибитор прочно (необратимо) связывается с активным центром фермента ковалентными связями, изменяет конформацию фермента. Таким образом, могут действовать на ферменты соли тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия и др.), соединения мышьяка и другие токсические вещества, способные привести к необратимой денатурации апофермента (неспецифические ингибиторы).
Специфический необратимый ингибитор может связываться с ферментом и инактивировать в его активном центре функциональную группу, которая необходима для проявления его каталитической активности. Например, диизопропилфторфосфат, йодацетат и ион ацетамида.
Обратимое ингибирование - это такой тип ингибирования, когда активность ферментов может восстанавливаться. Обратимое ингибирование бывает 2-х типов: конкурентное и неконкурентное. При конкурентном ингибировании обычно субстрат и ингибитор очень похож по химическому строению. При этом виде ингибирования субстрат (S) и ингибитор (I) одинаково могут связываться с активным центром фермента. Они конкурируют друг с другом за место в активном центре фермента. Классический пример, конкурентного ингибирование - торможение действия сукцинатдегидрогеназы малоновой кислотой (см. наглядный материал).
Изучение действия различных ингибиторов на ферментативные реакции имеет очень большое значение в медицине. Например, сульфамидные препараты обладают бактериостатическим действием и применяются для лечения многих инфекционных заболеваний. Сульфамидные препараты похожие по строению на п-аминобензойную кислоту, ингибируют синтез фолиевой кислоты, которая необходима для синтеза нуклеиновых кислот в бактериальных клетках. Благодаря этому сульфаниламидные препараты тормозят процесс деления бактерий, оказывая бактериостатическое действие.

Конкурентное ингибирование может быть вызвано веществами, имеющими структуру, похожую на структуру субстрата, но несколько отличающуюся от структуры истинного субстрата. Такое ингибирование основано на связывании ингибитора с субстратсвязывающим (активным) центром. Классическим примером подобного типа ингибирования является торможение сукцинатдегидрогеназы (СДГ) малоновой кислотой. Этот фермент катализирует окисление путем дегидрирования янтарной кислоты (сукцината) в фумаровую:

Если в среду добавить малонат (ингибитор), то в результате структурного сходства его с истинным субстратом сукцинатом (наличие двух таких же ионизированных карбоксильных групп) он будет взаимодействовать с активным центром с образованием фермент-ингибиторного комплекса, однако при этом полностью исключается перенос атома водорода от малоната. Структуры субстрата (сукцинат) и ингибитора (малонат) все же несколько различаются. Поэтому они конкурируют за связывание с активным центром, и степень торможения будет определяться соотношением концентраций малоната и сукцината, а не абсолютной концентрацией ингибитора. Таким образом, ингибитор может обратимо связываться с ферментом, образуя фермент-ингибиторный комплекс. Этот тип ингибирования иногда называют ингибированием по типу метаболического антагонизма (рис. 4.20).

6. Регуляторные ферменты - ферменты, выполняющие не только каталитическую функцию, но способные менять свою активность в ответ на определенные молекулярные сигналы. Существует 2 класса регуляторных ферментов:
1. аллостерические - регулируются при связывании с ними аллостерических модуляторов (положительных - активаторов и отрицательных - ингибиторов),
2. ферменты, регулируемые путем обратной ковалентной модификации.
Аллостерический центр называют центром регуляции активности фермента. Часто аллостерическими ингибиторами выступают конечные продукты процесса - это ингибирование по принципу обратной связи или ретроингибирование.
Регуляция путем обратной ковалентной модификации осуществляется через процесс фосфорилирования и дефосфорилирования за счет изменения пространственной организации фермента. При фосфорилировании фермента образуются ковалентные эфирные связи между ОН-группой серина и фосфорной кислотой. Эти изменения сопровождаются изменением структурной организации молекулы фермента. Например, гликогенфосфорилаза, катализирующая распад гликогена печени и мышц существует в 2-х формах «а» - активной и «в» - неактивной. Неактивная «в» форма является димером, активная «а» форма - тетрамером. Образование тетрамера из димера происходит в результате фосфорилирования остатков серина. После окончания действия фермента происходит дефосфорилирование фермента под действием ферменты фосфатазы. Тетрамер превращается в неактивный димер. Образование ковалетных эфирных связей связано с изменением четвертичной структуры белка-фермента за счет ковалентной модификации (фосфорилаза активна в фосфорилированном состоянии, а гликогенсинтаза - в дефосфорилированном).